超伝導回路を用いた量子エレクトロメカニクス

機械振動子を電磁波と結合させるエレクトロ（オプト）メカニクスと呼ばれる分野が、近年に盛んに研究をされている。本研究では、機械振動子としてQ値の高い窒化シリコン薄膜振動子、電磁波としてマイクロ波共振器を用いることで、両者の量子ハイブリッド系の実現を目指した。実験では、薄膜振動子とシリコン基板上に微細加工技術によってアルミ電極を形成し、薄膜振動子と結合したマイクロ波共振器の作成した。薄膜振動子の振動が回路の静電容量を変調し、マイクロ波共振器との結合が生まれる。サンプルを希釈冷凍機で10mKに冷却し、マイクロ波分光によってその応答を観測した。さらに系をドライブするためのマイクロ波を印加し、薄膜振動子とマイクロ波共振器との間にパラメトリック結合を誘起した。こうして、薄膜振動子とマイクロ波共振器と間の強結合領域にあるハイブリッド系を構築する事ができた。また、このハイブリッド系を用いて、薄膜振動子の冷却に成功した。薄膜振動子のエネルギーをマイクロ波に変化することで、薄膜振動子の緩和を人工的に制御することができ、薄膜振動子からエネルギーを抜く、つまり冷却することが可能になる。実験では、実効温度20mKから30μKまでの冷却に成功し、量子基底状態付近まで薄膜振動子を冷却することができた。このことにより、系が量子極限にまで達していることを確かめることができた。さらにこうして作成したマイクロ波共振器中に超伝導キュービットを配置する事で、薄膜振動子ーマイクロ波共振器ー超伝導キュービットの３者間の量子ハイブリッド系を構築することができた。

機械振動子を電磁波と結合させるエレクトロ（オプト）メカニクスと呼ばれる分野が、近年に盛んに研究をされている。本研究では、機械振動子としてQ値の高い窒化シリコン薄膜振動子、電磁波としてマイクロ波共振器を用いることで、両者の量子ハイブリッド系の実現を目指した。実験では、薄膜振動子とシリコン基板上に微細加工技術によってアルミ電極を形成し、薄膜振動子と結合したマイクロ波共振器の作成した。薄膜振動子の振動が回路の静電容量を変調し、マイクロ波共振器との結合が生まれる。サンプルを希釈冷凍機で10mKに冷却し、マイクロ波分光によってその応答を観測した。さらに系をドライブするためのマイクロ波を印加し、薄膜振動子とマイクロ波共振器との間にパラメトリック結合を誘起した。こうして、薄膜振動子とマイクロ波共振器と間の強結合領域にあるハイブリッド系を構築する事ができた。また、このハイブリッド系を用いて、薄膜振動子の冷却に成功した。薄膜振動子のエネルギーをマイクロ波に変化することで、薄膜振動子の緩和を人工的に制御することができ、薄膜振動子からエネルギーを抜く、つまり冷却することが可能になる。実験では、実効温度20mKから30μKまでの冷却に成功し、量子基底状態付近まで薄膜振動子を冷却することができた。このことにより、系が量子極限にまで達していることを確かめることができた。さらにこうして作成したマイクロ波共振器中に超伝導キュービットを配置する事で、薄膜振動子ーマイクロ波共振器ー超伝導キュービットの３者間の量子ハイブリッド系を構築することができた。